Introduction
排水·ゲインの重要性から価値ある製品の回収貴重な資源が回復せずに乏しいと治療になるとだけコストを表しています。廃水を回収することができる両方のエネルギーと栄養素を含み、栄養回復が生産ループ1を閉じるのを助けることができる。栄養素の回復はあまり一般的ではないながら、嫌気性消化によるエネルギーの回収は、十分に確立されたプロセスである。尿や肥料などの液体廃棄物の流れからの栄養分の回復が広くスツルバイトアンモニア2,3の直接のストリッピングの生産を通して、 例えば 、検討されている。しかしながら、化学添加の必要性は、これらのプロセス4の欠点がある。ここでは、カリウム及びアンモニウムの両方を含む廃棄物の流れからのカチオン性栄養素の回収のための手法を提示する。これらの栄養素のカチオン形態は、電気化学システムにおけるイオン選択性膜を使用して回収を可能にする。この場合、electrochemicらのシステムは（酸化が起こる）陽極室から成る、（還元が起こる）陰極室と区画を分離するためのイオン選択膜。電圧は、アノードからカソードへの電流の流れを生成するために、セルの両端に印加される。この電圧は、水の酸化還元反応を駆動するために外部電源によって生成することができる。代替的に、陽極酸化は、 例えば 、有機物の、より少ない電力を必要とする、電気細菌によって触媒され得る。回路を閉じて、電荷バランスを維持するために、荷電種は、生成された各電子のための電極の間に移行する必要があります。陽イオン交換膜（CEM）全体の陰極室に陽極室からアンモニウム輸送は、このように電子が4,5のフラックスを補償することができる。
ここで紹介するテクニックだけでなく、廃棄物の流れからアンモニアを削除するだけでなく、そのリカバリを可能にします。総アンモニア態窒素（TAN）は、両方のアモンの平衡状態で存在するイウム（NH 4 +）およびアンモニア（NH 3）、そしてpHおよび温度6に依存する。 NH 4 +は、陽極室に高いTAN濃度にし、pHが中性付近に豊富に入手可能であり、この正に帯電した種は、従って、陰極室にCEM横切る電流で駆動することができる。電流は、水酸化物イオンおよび水素ガスの産生をもたらす、カソードにおける水の還元を駆動する。 TAN平衡に起因陰極室（> 10.0）で高いpHにほぼ100％のNH 3に移行する。 NH 3を簡単には、酸溶液中で捕捉され、集中して吸収塔に、ストリッピングユニットからの空気の循環を介して転送することができるガスである。
この技術は、肥料のようなNに富むストリームの嫌気性消化中にアンモニウム毒性を減少させる可能性があり、従って、これらの廃棄物の流れからのエネルギー回収を増加させると同時に、一方回復栄養素4。廃棄物に栄養回復技術は、尿、それによってWWTP 7における栄養素を除去するためのコストを回避するような高TAN含量ストリームとして電気化学的およびアンモニウムの生物電気化学抽出を適用することもできる。
我々はモジュール式反応器を用いるようにここに提示プロトコルは、多くの異なる化学的及び生物電気化学実験のための基礎として役立つことができる。以下のプロトコールで説明したように異なる電極タイプ、膜およびフレームの厚さを組み合わせることができる。プロトコルの主な目的は、電解セルを用いた電気化学アンモニウム回収、バイオ電気化学アンモニウム回復を比較するための手段を提供することである。システムは、抽出効率、電力入力および再現性の観点から評価される。
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Protocol
1.原子炉のアセンブルとストリップと吸収装置を接続
- （材料のリストを参照）、電極、フレームやゴム：原子炉を構築するために必要なすべての材料を収集します。慎重に原子炉の組み立てながら、漏れを避けるために、同じ寸法のすべての部分をカットします。
- オスコネクタにオスに合うように、原子炉の区画に穴を開けます。参照電極に合わせて、反応器区画の一方の側の中央に一つの追加の穴をドリル。
- 吸収塔のために1 MH 2 SO 4の株式を準備します。アンモニアのより高い負荷に対応するために、必要に応じて、この濃度を増加させます。
- 膜は、製造元の指示に従って前処理されていることを確認します。炭素を前処理3分間2mMのCTAB（洗剤）でそれを浸すことにより、電極を感じた。脱塩水8と感じた炭素をすすぐ。 PRを必要としない電気化学的な実験のための安定したアノードetreatment。
- 反応器の種類に応じた順序で、異なる反応器部品を積み重ねる。パースペックス終板、ゴム、ステンレス鋼の集電体、前処理されたグラファイトフェルト、パースペックス反応器コンパートメント、ゴム、陽イオン交換膜、ゴム、スペーサ材料、ステンレス鋼メッシュ電極、ゴム、パースペックスリアクターコンパートメント、ゴム、パースペックスエンドプレート：バイオリアクターのための
- パースペックス終板、ゴム、終板を介してのIrOxアノード、パースペックスリアクトルコンパートメント、ゴム、スペーサー、ゴム、陽イオン交換膜、ゴム、スペーサ材料、ステンレス鋼メッシュ電極、ゴム、パースペックスリアクターを以下のように電気化学セルのための反応器部品を積み重ねるコンパートメント、ゴム、パースペックスエンドプレート。
- 反応装置の接続ポートを密封するために、テフロン（登録商標）を使用する。電気化学セルの場合、生物電気化学セルの場合には、アノード、カソードまたはアノード：作用電極と同一の区画内に基準電極を配置する。
- ナットを使用して、ボルトは、反応器を閉じます。圧力を均等にする両側のボルトを締めます。指締めが完全に密封された原子炉を確保するのに十分であるように原子炉を閉じるためのツールを使用しないでください。
- 原子炉は、漏れのないかどうかをテストするために水で原子炉を埋める。漏れが表示されている場合はボルトが十分に締められている場合には、確認したり、原子炉を組み立てながら、原子炉部品の一つは、移動した場合。漏れが検出されない場合、反応器から水を空にする。
- 途中で列を埋めるためにストリップと吸収塔の両方にラシヒリングを追加します。
- すべてのポンプの流量を校正。反応器とストリッピングと吸収ユニットへの空気ポンプ（ 図1）への供給および再循環ポンプを接続します。できるだけ多くのチューブの長さを最小化します。
- 1 MH 2 SO 4 250mlで吸収塔を埋めるには、ラシヒリングをカバーする必要があります。ポンプをオンにすると、空気の流れがよく酸を混合することを確認してください。増やすか、ストリッピング塔の設計および空気ポンプ容量に基づく酸の量を減少させる。
アンモニウム抽出を可能にする生物電気化学システム図1.原子炉のセットアップが。ここで紹介するシステムは、連続モードで動作します。実線は液体の流れを表し、点線はガスの流れを表している。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
アンモニウム抽出を可能にする生物電気化学システム図2.原子炉のセットアップが。ここで紹介するシステムは、連続モードで動作します。実線は液体の流れを表し、点線はガスの流れを表している。ww.jove.com/files/ftp_upload/52405/52405fig2large.jpg「ターゲット= "_空白">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
パースペックスリアクターフレームの図3の設計は 、 各反応器は、2つのエンドプレートリアクタ2の反応器の区画で構成されている。すべての部品は、2cmの厚さを有する。他の材料のサイズに関する詳細は、材料のリストに記載されています。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
2.バイオアノード駆動型の抽出
- メディアの準備。
- 表1〜9で説明したように、バイオリアクターのための陽極液を準備します。窒素リッチ廃棄物の流れを模倣する培地中でアンモニウム濃度を増やします。
- MEDIを保存するにはUM使用前に、炭素源は汚染を通して枯渇されていないことを確認するためにメディアをオートクレーブ。 表1によれば、ビタミンおよび微量要素を準備し、オートクレーブ培地を冷却した後に追加。
- 酸素を除去するために、少なくとも30分間、窒素ガスでパージすることによって培地をフラッシュする。これを行うには、培地中にチューブまたは針を挿入し、窒素ガス流をオンにします。
- 陰極液の導電性溶液を調製する。この場合、苛性製造を可能にするために0.1 M NaClを使用。
| コンポーネント | 額 | ||
| のNa 2 HPO 4 | 6グラム/ L | ||
| KH 2 PO 4 | が3g / L | ||
| NaClを | 0.5g / Lの | ||
| NH 4 Clを | 0.5g / Lの | ||
| 硫酸マグネシウム4·7H 2 O | は0.1g / L | ||
| のCaCl 2·2H 2 O溶液（14.6グラム/ L） | 1ミリリットル | ||
| 酢酸ナトリウム | （起動用）を2g / L | ||
| 微量元素 | 1ミリリットル | ||
| ビタミン溶液 | 1ミリリットル | ||
| 微量元素（1,000倍） | グラム/ L | ビタミン（1,000倍） | グラム/ L |
| のCoCl 2 | 0.1 | ビオチン | 0.004 |
| のNa 2のMoO 4·2H 2 O | 0.01 | 葉酸 | 0。004 |
| H 3 BO 3 | 0.01 | 塩酸ピリドキシン | 0.02 |
| のMg 2のCl 2·6H 2 O | 3 | リボフラビン | 0.01 |
| のZnCl 2 | 0.1 | チアミン塩酸塩 | 0.01 |
| のCaCl 2·2H 2 O | 0.1 | ニコチン酸 | 0.01 |
| NaClを | 1 | DL-パントテン酸カルシウム | 0.01 |
| ニトリロ三酢酸 | 1.5 | ビタミンB12 | 0.0002 |
| のAlCl 3·6H 2 O | 0.01 | P -aminobenzoic酸 | 0.01 |
| のCuCl 2 | 0.01 | リポ（チオクト酸） | 0.01 |
| のFeCl 2 | 0.1 ミオ -イノシトール | 0.01 | |
| のMnCl 2·2H 2 O | 0.5 | 塩化コリン | 0.01 |
| KOHを用いてpHを6.5に調整し | ナイアシンアミド | 0.01 | |
| ピリドキサール塩酸塩 | 0.01 | ||
| アスコルビン酸ナトリウム | 0.01 |
バイオアノードドリブンアンモニウム抽出表1陽極液組成物。
- バイオリアクターの接種
注：混合培養接種材料が使用され、反応器条件は、特定の電気活性有機体のために選択されますように、無菌状態での作業は、このバイオリアクターには必要ありません。- 接種材料を準備します。このバイオリアクターは、発酵槽を含むアクティブ嫌気性バイオリアクターからの流出物を30mlの混合物を調製、バイオアノード、嫌気性消化および/または生の廃水。注射器内の混合物を収集します。
- 酸素が 入ることを可能にしないが、安定した圧力を維持するために、陽極液ボトルにN 2を充填ガスバッグを接続します。培地ボトルに接種材料と注射器を空にすることによって（ここでは、接種源の30ミリリットルのための陽極液の100ミリリットル）陽極液の体積の接種源を混ぜる。アノード室を埋めるために必要な音量を得るようにしてください。
- シリンジを用いて、それらのそれぞれの溶液と同時に、アノードとカソード区画を埋める。陽極液が酸素を導入することなく、サンプリングポートを介して除去することができるように、陽極液ボトルにN 2を充填したガスバッグを接続する。転送間のタップでサンプルポートを閉じます。
注：両方の原子炉区画は同時に充填されることを保証するために同僚と一緒に、この手順を実行します。 - 両方の原子炉区画は満たされると、オンにし約6 L / hrの再循環速度で再循環ポンプ。
- 作用電極として陽極を使用して、3電極をポテンショスタットケーブルを接続します。アノード室での参照電極を配置します。
- ポテンショスタットソフトウェアを使用してクロノアンモードでポテンショスタットに切り替えます。 -200 mVのAg / AgClに対しての固定アノード電位を選択します。
- アンモニウム抽出のための連続反応を実行する
注：バイオフィルムが発達するように、電流は、酢酸の消費に生成される。酢酸枯渇の結果として、電流が（結果セクション、 図3を参照）低下する。- 連続供給に変更するには、アノードとカソードのための供給ポンプのスイッチを入れる。ポンプ速度は、油圧滞留時間（HRT）を決定する。ここでは、6時間のHRTで反応器を操作する。
- ストリップと吸収ユニットのエアーポンプのスイッチを入れる。閉ループ内の空気を循環させる、または中を循環する周囲空気を用いてオープンループ。エアフロー構成は、吸収効率に影響を与えることができる。
- 週中3回更新します。手順で説明するように、新鮮な陽極液と陰極液を準備し2.1.1-2.1.4。
- これらのステップの後、古いものと新しいボトルを切り替えて、最終的にクランプを削除し、ポンプを再起動して、流入ラインにクランプを置く、供給ポンプを停止し、閉じられたフィードボトルにN 2を充填ガス袋を添付します。
- フィードが更新されるたびに、5ミリリットルの導電率、pHは、酢酸塩含有量とアンモニア濃度の測定のための陽極と陰極液の廃液と流入の液体試料を取る。
- フィードを変更する場合、また、pHを監視し、TAN分析のために、吸収塔3mlのサンプルを取る。 pHが4に近づくと、高い吸収効率を確保するために、新鮮な1Mの硫酸溶液と吸収剤を交換する。
- 電流が第1の増加した後、プラトーに達するように、エースを測定これを確実に陽極液の流入と流出液中のテイトコンテンツは、炭素制約によるものではない：100 mg / Lの下の陽極液流出物中の酢酸濃度は、炭素制限を示している。その場合（ 表2）でフィード中の酢酸濃度を高める。
- 電流安定化酢酸の制限に起因していない場合は、徐々にフィード中のアンモニア濃度を増加させ、抽出効率（ 表3）を評価するために、電流が安定するのを待つ。
NOTE：アンモニウム濃度が増加すると、アンモニア毒性と高い導電性がバイオフィルムに挑戦すると、電流が最終的に結果として低下する。
| 時間 | 酢酸ナトリウムの量は、アノード供給量（g / L）に添加し |
| 0日 - 35日 | 2 |
| 3 | |
| デイ37 - デイ51 | 4 |
| デイ51 - 61日 | 5 |
バイオアノード従動アンモニウム抽出のための陽極液中の酢酸ナトリウムの表2濃度。
| 時間 | NH 4 HCO 3の量は、アノード供給量（g / L）に添加し | 相 |
| 0日 - 16日目 | 2.26 | 私 |
| 16日目 - 26日目 | 4.5 | 二 |
| デイ26 - 33日目 | 9 | 三 |
| デイ33 - 40日 | 14.1 | 4 |
| デイ40 - デイ47 | 20 | V | 25.4 | 六 |
| デイ54 - 63日 | 31 | 七 |
バイオアノード従動アンモニウム抽出のための陽極液中のアンモニアの濃度を表3。相を、電流密度のグラフ（ 図2）に示されている。
3.電気化学抽出
- メディアの準備
- 表4 4に記載の陽極液として合成廃水ストリームを準備する1,3、または5gのN / Lの最終濃度に達するように硫酸アンモニウムを追加する。
- 陰極液のため、0.1M NaCl溶液を準備します。
| コンポーネント | 額 |
| のNa 2 HPO 4·2H 2 O | 1.03グラム/ L |
| KH 2 PO 4 | 0.58グラム/ L |
| 硫酸マグネシウム4·7H 2 O | は0.1g / L |
| のCaCl 2·2H 2 O | 0.02グラム/ L |
| （NH 4）2 SO 4 | 1/3/5グラムのN / Lの最終濃度を得るために、実験に応じて |
電気化学アンモニウム抽出4表4.陽極液組成物。
- アンモニウム抽出のための連続反応を実行する
- 原子炉区画を埋めるために供給ポンプのスイッチをオンにします。処理を高速化するには、一時的にポンプ速度を増加させる。
- 反応器がいっぱいになると6時間のHRTを得るために、ポンプ速度を減らします。 6 L / hrの速度で再循環ポンプのスイッチをオンにします。流入（5ミリリットル）のサンプルを取る。
注：実験を通して定期的に流量を測定確実にするためには、変化しない。 - ストリップと吸収ユニットを開始します。このユニットの動作は、バイオリアクターの場合と同じです。
- ポテンショスタットソフトウェアを使用してクロノモードでポテンショスタットに切り替えます。第一の膜を分極し、一人で拡散による窒素フラックスを決定するために、約0.5 A / m 2の低電流密度を適用します。
- システムは24時間に偏光された場合、実験に必要な電流密度を適用する。通常10 A / m 2でから50 A / m 2の範囲の、異なる電流密度をテストします。電流密度を増加させる前に、アノードとカソード流出物のサンプルを、吸収塔を取る。
注：3 HRTサイクルの後、反応器は定常状態に近づく必要があります。 - 反応器は定常状態に達した後、時間経過にわたって、少なくとも3つのサンプルを取る。アノードとカソード流出物からサンプルを取り、吸収カラム（各5ml）。サンプリングボリューム、日付と時刻を書き留めます。
- 必要に応じて、アノード流入の安定性に応じて、新しいアノード流入サンプルを取る。実際の廃水を用いた場合、これが必要である。
- このような印加電流密度およびTAN濃度などの試験条件を変更する。それぞれの変更後、反応器は、サンプルを採取する前に、少なくとも3高精度タイマ安定化してみましょう。
- 吸収塔のpHが4に近づくと、新鮮な1Mの硫酸溶液と吸収剤を交換する。
4.サンプルの分析
- 揮発性のアンモニアの損失による不正確さを減らすために、サンプリングと同じ日のpH、サンプルの導電率を測定します。適切に校正され、pHと導電率プローブを用いてpHと導電率を測定します。
- 試料はすぐに測定されない場合は、TAN分析（両方の反応器）と4℃での脂肪酸分析（バイオリアクター）に対するストアサンプル。再ためのバイオリアクターアノード流出物及び流入から0.45μmのフィルターを通してフィルター試料バイオマスを移動し、脂肪酸を維持するに役立つ。 NH 3の損失を最小限にするためにリムのすべての試料管を埋める。
- 標準的な水蒸気蒸留法やTAN 10を測定するための任意の他の確実な方法によりTANとして窒素を測定する。
- そのようなイオンクロマトグラフィーやガスクロマトグラフィー11などの任意の信頼性の高い方法によって、酢酸などの脂肪酸を、測定します。
5.データ解析と計算
- ソフトウェアからのポテンショスタットデータファイルをエクスポートし、スプレッドシートプログラムにインポート。電気化学的な変数は、データ点の数を減少させ、それをプロットする際に、曲線を平滑化するための時間当たりの平均を計算する。
- 計算のための一つのデータファイル内のすべての測定データ（pHは、アンモニウム、VFA）を収集します。計算は、結果セクションで説明します。
- バイオリアクターによる現在の生産を計算します。これは最高の、式1（次のように計算される電流密度として表され12）：
式1
電流密度、I絶対電流、電極の投影面積としてjを持つ。一部のソフトウェアでは、これは、実験開始前に、アノード表面積を入力することにより自動的に計算させることが可能である。 - アンモニウム抽出に関連するパラメータを算出する
- 窒素フラックスを計算します。その後、電流密度（I N）として表さ膜表面積を窒素フラックス（グラムN / m 2の/ d）を正規化する。 CE（式2、3、および4）を計算するためにこの値を使用します。
式2
（グラムN / L） で C 項、およびC Anは、アウト （グラムN / L）は、陽極室及び出てくる測定アンモニウム濃度がどこそれぞれ。 Q（L / d）は、アノード流量で、A（m 2）が （投影されたアノードおよびカソードの表面積に等しい）膜表面積である。 - 電流密度（I N、A /広）などの窒素フラックスを現在：
式3
ここで、z NH4 +（ - ）は、NH 4 +、Fはファラデー定数（96485 C / mol）をM窒素の分子量（14グラム/モル）の電荷である。 - 電流効率（CE、％）などを計算します。
式4
私応用 （A /㎡）を適用（電気化学的抽出）または測定（生物電気化学抽出）現在の密度である。 - 理論上の窒素フラックスを計算します。理論上の最大窒素を計算します所与のフラックス（J N、マックス 、グラムN / m 2の/ d）は、現在、膜表面積（式5）を適用。
式5 - 窒素除去効率（RE、％）を計算します。除去効率として陽極液から除去するアンモニアの割合を参照してください。アノード流入、流出TAN濃度（式6）から算出してください。
式6 - 与えられた流入TAN負荷に対して理論上の最大窒素除去効率（RE MAX、％）を計算し、（式7）現在の適用：
式7
ここでJ N、適用 （グラム数N m -で2 D - 1）窒素フラックスとして表現印加電流密度である。
- 窒素フラックスを計算します。その後、電流密度（I N）として表さ膜表面積を窒素フラックス（グラムN / m 2の/ d）を正規化する。 CE（式2、3、および4）を計算するためにこの値を使用します。
- （式8）のようなガス/液体の比率を計算する。
式8 - 吸収塔の最大容量を計算します。 （理論上の最大窒素フラックスJ Nmaxに 、流入におけるTAN濃度（モル/ L）と、操作トン、膜表面積Aの時間、吸収Vの容積から吸収カラムに最大理論Nの負荷を計算する式9）：
式9 - スト効率SE（％）（式10）を計算します。
60;式10 - 陽イオン交換膜を介しアンモニウム抽出のためのエネルギー入力を算出する（式11）（E Nは 、キロワット時/キログラムNとして表される）。
式11
アノードとカソードとの間のΔVを測定電位差。バイオリアクターの場合、ΔVは、実行全体の平均が取られた電気化学反応器のために、サンプリング期間の平均として算出した。
式1 
式2 
式3 
式4 
式5 
式6 
式7 
式8 
式9 
60;式10 
式11 Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
バイオリアクターからのクロノアンペロメトリーの結果
クロノアンペロメトリーの結果は、式（1）に従って算出（ 図4）連続反応のための典型的なグラフを示している。実験の開始時に、アノード及びカソードは、再循環モードで操作した。これは開発するバイオフィルムと、現在の生産の開始を可能にする。操作の5日後に、電流密度は、現在の生産の減少に続いて最大に達した。これは、バイオフィルムが電流を生成するために、炭素/電子源（ 例えば 、酢酸塩）を欠いていることの指標である。高原は高原がアンモニウムに十分なデータを取得する必要があった12日目と16との間に3.5 A / m 2の時に達するまで6日連続運転への変更は、6時間のHRTを使用して、現在の生産の継続的な増加をもたらした一定の電流密度の抽出。
アンモニウム濃度iはnはフィードはいくつかの手順（ 表2）に増加した。各ステップは、最終的に27 A / m 2の平均電流に達した電流密度の増大をもたらした。この電流の増加は、重炭酸アンモニウムの添加は、イオン濃度、従って導電率を増加するアノードフィードの導電率の増加に連結した。より高い導電率は、オーム抵抗を減少させ、したがって、13 クロノアンペロメトリーの結果は、バイオリアクターから現在の生産に有利
クロノアンペロメトリーの結果は、式（1）に従って算出（ 図4）連続反応のための典型的なグラフを示している。実験の開始時に、アノード及びカソードは、再循環モードで操作した。これは開発するバイオフィルムと、現在の生産の開始を可能にする。操作の5日後に、電流密度は、現在の生産の減少に続いて最大に達した。これはインディカですバイオフィルムは、電流を生成する炭素/電子源（ 例えば 、酢酸）欠くる。高原は高原がアンモニウムに十分なデータを取得する必要があった12日目と16との間に3.5 A / m 2の時に達するまで6日連続運転への変更は、6時間のHRTを使用して、現在の生産の継続的な増加をもたらした一定の電流密度の抽出。
供給物中のアンモニア濃度は、いくつかのステップ（ 表2）に増加した。各ステップは、最終的に27 A / m 2の平均電流に達した電流密度の増大をもたらした。この電流の増加は、重炭酸アンモニウムの添加は、イオン濃度、従って導電率を増加するアノードフィードの導電率の増加に連結した。より高い導電率は、オーム抵抗を減少させ、したがって、現在の生産13を支持する。
アセテート測定は完全な除去を示したこの期間中毎日27から37に、陽極バイオフィルムによる炭素源の、バイオフィルムによって生成される電流密度は、前に培地交換に減少した。媒体は無菌状態で維持されていないため、飼料中の酢酸濃度が原因フィードボトルで非電気微生物による消費に時間をかけて減少した。電流密度は、すぐに培地を補充したように再び上昇した。これは、バイオフィルムによって現在生産は飼料中の炭素源濃度によって制限されることを示した。酢酸濃度の増加は、いくつかの試験（ 表2）の後半炭素制限を防ぐために必要であった。
生物電気化学システムの経時的な電流密度は4図は、6日目に、連続モードに変更した後、電流の増加を観察することができる。 Eのach相（II - VII）は電流の増加をもたらしたアンモニウム供給濃度の増加を示している。
電池電位
電池電位は、アノードとカソード電位、電極における過電圧とオーム抵抗との差に基づいて算出される。セル電位は、電気化学セルを駆動するのに必要な総電力に関する。このトピックに関する方程式と推敲のために、我々はClauwaertや同僚13によるレビュー論文を参照してください。
生物アンモニウム抽出の場合には、アノード電位は、-200 mVでAg / AgClに対して固定したバイオフィルムは、電流を生成した。その結果、カソード電位は、バイオフィルムによって生成される電流を維持するために変化した。この場合、セル間の抵抗は、カソード電位に影響を与えた。 16日目に生体系のセル電位は私に開始電流の増加が観察されず、アノード電位が-200 mVのAg / AgClに対してで固定されたままでもncrease。これは、膜抵抗の結果である可能性があるシステムにおける増大した抵抗性の結果として、（ 例えば 、膜上のスケール）または陽極と膜との間の不十分な混合に起因する拡散限界であった。反応器を空にし、注意深く開け、膜を交換した。アノードは、混合を改善するためにさらに離れて膜から配置した。陽極室は、以前に除去された陽極液を再充填した。この操作は、Ag / AgClに対して-700 mVの周りにカソード電位に安定で、連続的な実験（0.5 V）の開始時と同じレベルにセル電位を回復させた。
非生物的な電気化学的抽出実験では、細胞電位が過電圧とオーム抵抗などの生物電気化学抽出のためのと同様に計算される。陽極とC athode電位が変動を受けました。電気化学システム用セル電圧は、バイオリアクター（ 表5）よりも高い。これは、酸素への水の電気化学的酸化のために必要とされるより高いアノード電位が主な原因である。試験した条件のための特定のアノードとカソード電位がDesloover らによって記載されている。4。
| 電流密度 | バイオアノード（V） | 電気化学システム（V） |
| 0 A / m 2の | N / A | N / A |
| 10 A / m 2の | 1.69±0.05 | 2.73±0.06 |
| 20 A / m 2の | 2.20±0.11 | 2.99±0.08 |
| 30 A / m 2の | 2.32±0.14 | 3.35±0.21 |
アンモニウム抽出及びストリッピング
前の2つのセクションで説明した電気化学パラメータは、陽イオン交換膜を介しアンモニウム抽出の効率を決定する要因である。次のパラメータは、生物的および非生物的システムの性能を比較するために計算されるアンモニウム抽出の面でS。
抽出の窒素フラックス（J N）と電流効率（CE）
アンモニウムイオンは、セル上の電荷のバランスを回復するために、陽イオン交換膜を通過する。アノードでリリースされ、各電子の場合は、1の正電荷は、カソード区画に陽極から移動されなければならない。アンモニウムは、電荷バランスの100％を復元した場合、一方は、100％の電流効率を得ることができる。
バイオリアクターのための窒素フラックスは、電気化学システム（ 図5）よりも高い。これは、より低い陽極液のpHをもたらす、電気化学システムの供給の下アルカリ性によって説明することができる。これは、膜を介して電荷バランスを回復するためにアンモニウムとプロトン間のより高い競争をもたらした。
図5.異なる電流密度のための電気化学システムのための窒素フラックスと比較して、バイオリアクターのための窒素フラックスバイオリアクター用フラックスは、陽極流入におけるTANの濃度範囲に対して計算される。電気化学システム用のフラックスのみ5gのN / Lの濃度のために与えられている。電気化学システム用のエラーバーは記号よりも小さい。
ストリップ効率
液体再循環率と空気ポンプ性能が高いストリッピング効率を得るために調整することができる。開いた又は閉じた空気循環ループの選択はまた、ストリッピング効率に影響を与える。吸収効率が高く、すべてのNH 3ガスの酸を通過する間にトラップされたときに開いて空気流が好ましい。オープンエアシステムは、ストリッピングカラムを通過する空気が得られ、アンモニアを含まないことを保証するガス状NH 3に溶解したNH 3の変換のためのより高い駆動力である。低い吸収効率の場合、閉鎖系は、アンモニアの損失を防止する。ル·シャトリエ14の原則で表されるように、ガス流に取り込まれたアンモニアガスは、ストリッピングプロセスは熱力学的に有利にする酸性溶液中に吸収されなければならない。吸収剤のpHが上昇し始めるときには、アンモニアをプロトン化するのに利用可能なプロトンがもはや存在しないことを示すように、交換しなければならない。吸収能力は、事前に推定することができる。 SO 4 H 2の各モルに対して、NH 3からN 2モルを捕捉することができる。
ストリッピング効率（SE、％）は、アノードから除去アンモニア性窒素、及びカソード流出物濃度（ アウト CのCAT）に基づいて算出される。この方法は、これらがevaporaを受けるように測定されたTANを使用する方法は、吸収塔を知らせるよりも正確であるン/沈殿。これは、式10は、陽極液と陰極液の等しい流速のためにのみ有効であることに注意することが重要です。
生物的および非生物的システムの全体的な比較
バイオリアクター用の陽極液5.1グラムのN / Lの濃度、27 A / m 2の電流密度及び5gのN / Lの濃度をもたらした：バイオリアクターと電気化学システムは、試験の最も類似した条件を比較する電気化学システム（ 表6）の場合には30 A / m 2の印加電流密度と組み合わせる。
| パラメーター | バイオアノード | 電気化学系 |
| 電流効率（％） | 67.1±0.28 | 38±0.6 |
| 除去効率（％） | 51±0.5 | 41±2 |
| 窒素フラックス（G N / m 2の/ D） | 226±1 | 143±7 |
| セル電圧（V） | 2.12±0.09 | 3.35±0.21 |
| エネルギー入力量（kWh / kgのNが除去された） | 6.04±1.78 | 16.8±1.4 |
| 陽極液のpH | 7.39±0.13 | 1.56±0.14 |
| 陰極液のpH | 12.53±0.07 | 12.92±0.08 |
表6.バイオリアクターと電気化学システムの全体的な比較 。バイオリアクターは、27 A / m 2の平均電流密度をもたらし、5.1グラムのN / Lの供給濃度で定常状態で動作していた。電気化学システムは、5g / Lの窒素供給濃度30 A / m 2の時に実行された。
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Discussion
この原稿は、アンモニウム回復のための生物電気化学および電気化学セルを設定するために必要なツールを提供します。結果のセクションで提示計算は、システムの性能を評価するためのパラメータを提供する。生物学的および電気化学システムは、セットアップおよび機能において類似している。二つのシステムの主な違いは、生物電気化学セットアップのための固定アノード電位に対して電気化学セルのための固定現在の選択である。非生物的なセットアップのための固定電流は、電極反応を駆動するのに必要であり、また、このようにして定常状態に至る、バルク相におけるプロセスの調節を可能にすることができる。一方、生物電気化学システムは、-200 mVのAg / AgClに対して一定のアノード電位は、電極15への電子移動を可能にするために選ばれた。二区画電気化学セルはエレクトリカによって駆動膜上アンモニウムの抽出を可能にするL電流。各システムは、他の上一定の利点を提供します。システムの可能な問題のいくつかを説明する。
生物電気化学システムは、システムのコストに関してはいくつかの利点を提供しています。グラファイトのコストは、アノードは、電気化学システムで使用される安定したアノードのコストよりもはるかに低いと感じた。 1広電極表面の場合は、アノードの資本コスト㎡あたり千ドルに100ドルから、10分の1に減少される。生物電気化学システムの運用コストも低くなる。バイオアノード反応器中で、電流が電気化学反応器と比較してバイオフィルムによって非常に低いアノード電位で生成され、したがって必要なセル電圧は、生物電気化学セットアップにおいてはるかに低い。バイオアノード用のエネルギー入力は、6.04キロワット時/キログラムN余分に半減よりも同一の条件で操作しながら電気化学セルで抽出は16.8キロワットのエネルギー入力を必要とする/ kgでNは、抽出したCTED。電気細菌は、実質的にバイオリアクターの運用コストを削減水の電気化学的酸化とは対照的に、より低い電位で陽極反応を触媒する。そのようなポンプの電源およびリッピングおよび吸収などの他の運用コストは含まれていませんが、両方のシステムのために類似していると予想される。微生物燃料電池（MFC）の代わりに、微生物の電解セルを使用した場合、より低いエネルギー入力が得られる。 MFCで得られた低抽出率は魅力MEC 16例における電気エネルギーの投資を行う。
コストは生物電気化学システムに有利ながら、動作安定性及び再現性は、電気化学セルの利点である。生体系のように、電気活性バイオフィルムは、環境に敏感であり、容易に破壊されることができる。バイオフィルムは、毒性化合物、および温度の変化の濃度はpHの変化に敏感である。 influenTはよく酸化反応の間に中立値付近のpHを維持するために緩衝されるべきである。電気化学システムの場合のように、陽極液が十分に、バッファリングされていない場合にはアノード反応は、pHの低下を適用します。これは、実際の廃水処理のための生物学的システムを使用した場合に対処するための重要なポイントである。温度の影響は明らかにここで提示生物電気化学試験で見られた。これは、細菌の動態に対する温度の影響を排除するために温度制御された環境で原子炉を配置するのが最適ですが、これは、温度変動がクロノアンに影響を与えることが観察することができますここで紹介する生物電気化学テスト、中にそうではありませんでした。 （冷低電流）夜と昼（暖流高い）との間の毎日の変動は、このような炭素源の低い利用可能性など、他の要因が阻害されなかったときに、42日目と46との間、特に、（ 図4）のグラフに見ることができる細菌ACTIVITY 13,17。
別の欠点は、生物学的システムが長い起動時間を必要とすることである。バイオフィルムは、電極上に数日にわたって展開しますが、そのようなTAN濃度などの飼料特性への変更は、微生物バイオフィルムへのストレスを軽減するために、徐々に適用されなければならない。我々のシステムでは、電気化学システムは、安定した動作条件に到達するために、偏光の24時間および3高精度タイマを必要とする。
電気化学システムは、動作パラメータを制御の程度が大きいことができます。例えば、電流密度は、製品回収および電源入力4との間の最適な比を得るように制御することができる。生物電気化学システムの現在の生産は現在の最先端技術で制御することができないが、ここで示されたものよりも高い電流密度（30 A / m 2で）、使用することができる。炭素源を制限し、または過剰な炭素を提供することは、目の電流出力を変えることができる電子生物系が、より多くの要因は、このようにそれが困難なプロセスパラメータを最適化すること、バイオフィルムにより現在の生産に影響を与え、結果のセクションで説明したように。
上述の要素は、所与の流入のための反応器の評価のための基礎を提供し、生物電気化学または電気化学システムは、選択されるべきであるかどうかを決定することに役立つ。我々は、この教育ビデオアンモニウム抽出のための単純な電気化学的または生物電気化学システムを動作させるために必要なツールを提供することを願っています。
実験操作中のトラブルシューティング
多くの要因が電気化学セルの性能に影響を与える。生物電気化学システムは、外乱に対する一層敏感である。原子炉運転中で最も一般的な問題は、ここで議論されているが、他の問題が発生することがあります。原子炉の運転は、最も簡単に学んハンズオンで、問題はとの対決は、Yが可能になりますOUには、次の実行でより簡単に操作する。生物電気化学システムに関する他の態様は、Gimkeiwiczとハルニッシュ18によるJoveのビデオの記事で扱われている。
材料のサイズ
他の反応器のサイズは、アンモニウムの抽出が可能である。例えば、反応器区画は、5×10 20 cm 2での内部寸法を有する正方形の代わりに矩形することができる。最も重要な側面は、すべての要素が適切にフィットしなければならないということである。ゴムは常に原子炉室枠の外側をカバーする必要があります。膜は、交換表面積よりも大きいカットされるべきである。 8×8 cm 2の反応器13×13 cm 2のに適したサイズです。グラファイトのための同じアカウントが感じた。バイオアノード用のステンレス鋼の集電体は、陽極液と直接接触しないようにするため13cmの×13センチ、11センチメートル用のx 11 cmの内寸の外形寸法を有する。
ポテンシオスタット 前原子炉実験の開始にダミー·セルテストを実行することにより、ポテンショスタットの適切な機能を確保する。
オーム抵抗
否定的に高い値で電池電位に影響を与えるシステム、のオーム抵抗を注視してください。 （I）イオン交換膜の誤動作、電極間の（II）あまりにも偉大なスペース、（III）劣悪電極接続、（IV）、低電解質：システムのオーム抵抗の急激な増加は、さまざまな問題を示している可能性があります導電性、または（v）の混合が不十分。オーム抵抗の急増は、ポテンシオスタットによって送達されなければならない必須のコンプライアンス電圧をチェックすることにより、非常に迅速に検出することができる。これは（> 10 V）が高くなりすぎた場合、これは機器に依存しているものの、ポテンシオスタットのソフトウェアプログラムは、実験を中断します。
膜汚染とSCAリングは、実際の廃水が原因は、Ca 2+およびMg 2+などの二価の陽イオンの存在、及び高い固形分19を陽極として使用され、特に経時的に期待することができる。これは、システムの効率が低下レンダリング増加オーム抵抗及び高いセル電圧をもたらす。
参照電極
参照電極は、システムが正しい固定電位で操作されることを保証するために安定した参照電極（ 例えば、カロメル電極）に毎週相対チェックされるべきである。気泡が基準電極近傍で捕捉することができないような方法で、システム内の参照電極を配置する（図示上面に、反応器の側面に接続）。
酸素の侵入
バイオフィルムは、酸素感受性であるように、酸素の侵入は常に避けるべきである。流入容器とアノード区画はflusてあるべき原子炉の起動時に窒素ガスでHED。実験が実行され、一方、低い電流密度は、電子受容体の代わりに、アノード電極としてO 2を使用することを示すかもしれない。空気漏れを検出するために、すべての接続およびチューブ（特にポンプチューブ）を確認してください。酸素侵入がレサズリンを用いて検出することができるが、この化合物は、電極活バイオフィルム20を妨害し得る。
ストリッピング及び吸収効率
高ストリッピング効率は、カソード流出物からのアンモニアの損失を回避するためだけでなく、アノード室に溶解したNH 3の逆拡散を避けるために維持されるべきである。したがって、千（G / L）の液比の最小ガスがお勧めします。ラシヒリングの使用は、ストリッピング中に液体/気体移動に有利に働くことが不可欠である。吸収効率は、ストリッピングガスにNH 3の低濃度を維持するために高くなければならない。 absorptioのpHnの列は4以下に維持する必要があります。
不十分なガス再循環
ガス再循環ポンプ（膜真空ポンプ、VWR）の電力、したがって、ガス流量は、水分及びスケーリングの影響を経時的に低下することがある。真空ポンプの入口の前に水トラップをインストールし、定期的に予防し、スケーリングを除去するためのポンプの膜ヘッドを清掃してください。
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Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Carbon Felt 3.18 mm Thick | Alfa Aesar | ALFA43199 | Used as bioanode, 110 mm x 110 mm |
| Ti electrode coated with Ir MMO | Magneto Special Anodes (The Netherlands) | Used as stable anode for electrochemical tests | |
| Stainless steel mesh | Solana (Belgium) | RVS 554/64: material AISI 316L, mesh width: 564 micron, wire thickness: 140 micron, mesh number: 36,6 | Used as cathode, 110 mm x 110 mm |
| Stainless steel plate | Solana (Belgium) | inox 304 sheet, thickness: 0.5 mm | Used as current collector for the bioanode |
| Ag/AgCl Reference Electrode | Bio-Logic (France) | A-012167 RE-1B | |
| Potentiostat (VSP Multipotentiostat) | Bio-Logic (France) | ||
| EC Lab | Bio-Logic (France) | software for performing electrochemistry measurements | |
| Cation Exchange Membrane | Membranes International (USA) | Ultrex CMI-7000 | Pretreated according to the manufacturers' instructions |
| Turbulence Promotor mesh | ElectroCell Europe A/S (Tarm, Denmark) | EPC20432-PP-2 | spacer material, 110 mm x 110 mm |
| Connectors | Serto | 1,281,161,120 | Other sizes possible, dependant on tubing type and size of holes in frames |
| Strip and absorption column | In house design | ||
| Tubing | Masterflex | HV-06404-16 | |
| Gas bag | Keika Ventures | Kynar gas bag with Roberts valve | |
| Rashig Rings | Glasatelier Saillart (Belgium) | Raschig rings 4 x 4 mm | Put inside the strip and absorption column to improve the air/liquid contact. Available with many suppliers |
| Rubber sheet | Cut to fit on the perspex frames | ||
| Perspex reactor frames | Vlaeminck, Beernem | In-house design, see tab "reactor frames" in this file |
References
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